金属氧化物纳米晶/二维SnS2复合结构的可控构筑及其室温气敏性能研究

Owing to its ultra-large surface-to-volume ratio, high surface activities and excellent semiconducting behaviors, two-dimensional (2D) layered SnS2 has shown great potential in the field of room-temperature gas sensing. However, it still suffers from low sensitivity and slow response/recovery that need to be solved urgently. To overcome these disadvantages, MOx (SnO2, ZnO, TiO2) nanocrystals (NCs) will be anchored onto the surface of 2D SnS2 by an intercalation-exfoliation technology combined with an electrostatic attractive method to add the amount of gas-adsorption sites and gas-diffusion channels. Moreover, the electron conducting channels and transducer functions will also be modulated by the heterojunction interfaces due to the anchored MOx NCs. This project seeks to improve the gas-sensing properties of the hybrids from both the receptor-function and the transducer-function perspective. Meanwhile, through first-principle calculations and in-situ spectroscopic characterization, the surface-adsorption processes and the signal-transfucer processes of the 2D SnS2 heterostrutures will be explored. The mechanism of gas-solid interaction and signal transmission of the 2D heterostructures will be clarified. This project will provide theoretical guidance for developing room-temperature gas sensors based on 2D materials and pave a new way to design room-temperature gas sensors.

二维SnS2具有大的比表面积、高的表面活性以及优异的半导体特性等优点，是理想的新型室温气敏材料。然而，灵敏度低、响应恢复慢等关键问题仍亟待解决。针对上述问题，本项目拟采用离子插层剥离结合静电吸引技术在二维SnS2表面构筑金属氧化物（SnO2、ZnO、TiO2）纳米晶，旨在利用金属氧化物纳米晶增加二维SnS2的吸附位点及气体扩散孔道，同时通过所形成的异质界面空间耗尽区调控载流子输运通道，改善信号转换功能，力图从表面的气体吸附特性和内部的信号转换特性两个角度，综合提高复合材料的室温气敏性能。在此基础上，借助第一性原理计算和原位谱学表征技术，揭示金属氧化物纳米晶/二维SnS2复合材料表面吸附过程及内部载流子传输过程的影响规律，建立二维异质结构表面气固交互及内部信号转换的过程模型。该课题的实施，将为提高二维材料室温气敏性能提供理论依据，为室温气体传感器的开发提供新的解决方案。

气体传感器被大量应用于环境保护、工业生产、军事安全和医疗诊断等领域，是物联网中获取气体信息的主要手段，已成为现代科技的重要支柱之一。二维SnS2具有大的比表面积、高的表面活性以及优异的半导体特性等优点，是理想的新型室温气敏材料，然而，灵敏度低、响应恢复慢等关键问题仍亟待解决。本项目拟采用离子插层剥离技术制备二维SnS2并调控其表面吸附位点，同时通过构筑异质界面调控其内部载流子输运通道，综合提高室温气敏性能，在机理上借助第一性原理计算和原位谱学表征技术，揭示金属氧化物纳米晶/二维SnS2复合材料表面吸附过程及内部载流子传输过程的影响规律。自本项目实施以来取得的主要成果如下：1）、系统研究了锂离子插层的减薄技术，借助SnS2与正丁基锂的路易斯酸碱反应，在SnS2层间插入锂离子以削弱层间作用力，在水溶液超声的辅助下成功制备了SnS2薄片 (1-3个原子层)；2）、SnS2薄片相比厚片表现出更优异的氨气室温传感特性，同时研究发现，SnS2薄片的气敏性能随着其表面的活性位点（硫空位）增加而提高，在室温下对500ppm氨气响应时间只需16秒；3）、采用原位拉曼测试和第一性原理技术进行了气敏机理分析，以SnS2为前驱体得到具有不同硫浓度的敏感材料，原位拉曼测试表明硫可以有效增加吸附位点，促使气体分子在表面的大量吸附；而第一性原理计算也支持上述观点，计算发现气体分子（NO2）在硫位点的吸附能更低。4）通过在片层表面构建异质结，研究了空间电荷区对载流子的传输影响，结合结构和气敏表征结果，发现了异质界面具有增加表面氧吸附的作用，异质界面之间的键合极为关键，异质成键少即界面态密度高，对载流子具有陷阱作用，不利于载流子的传输，反之则能促进电荷的传输，提高气敏性能。上述研究成果已在Nanoscale、Sensors and Actuators B: Chemical、Journal of Alloys and Compounds、CrystEngComm等SCI期刊发表。本项目的开展，为提高二维材料室温气敏性能提供理论依据，为室温气体传感器的开发提供新的解决方案，完成了计划书中的研究目标，达到了项目的结题要求。